NVM IP：驾驭先进节点设计的存储利器

2024-06-18 01:06

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当前，随着摩尔定律的逐渐走向极限，芯片制造业已经跨越了3纳米节点，正朝着2纳米的方向迈进。这一技术演进带来的不仅仅是节点尺寸的缩小，更是对集成度、功耗和性能的极致追求。在这个挑战日益严峻的背景下，芯片设计者面临着前所未有的压力和机遇。

与此同时，内存技术作为芯片设计的重要组成部分，也受到了极大的关注和挑战。NVM IP技术的涌现，为解决这些挑战提供了一条有力的途径。相较于传统晶圆工艺上提供的eFuse，NVM IP以其更高的密度、更低的功耗以及更快的速度等优势，成为了先进节点设计中不可或缺的一环。

然而，要将NVM IP技术有效地融入到先进节点的设计中，并不是易事。

NVM的发展历程和作用

NVM指的是非易失性存储器（Non-Volatile Memory），是一种可以长期保存数据而无需持续供电的存储技术。与易失性存储器（如RAM）不同，NVM可以在断电情况下保持数据完好。这使得它在许多应用中非常有用，比如计算机的启动程序、固件、嵌入式系统和移动设备中的存储等。

早期，芯片设计中使用的主要NVM是需增加工艺复杂度的E方（EEPROM）和Flash存储器。后来，新的非易失性存储器技术不断涌现，以满足不断增长的市场需求和技术挑战。NVM 技术包括了AntiFuse反熔丝OTP与不增加工艺的EEPROM等，这些技术在功耗、速度、密度和耐用性等方面都有所改进。

随着新型NVM技术的涌现，产生了对应的 NVM IP。嵌入式NVM IP是指集成在芯片中的非易失性存储器，可以根据应用需求进行配置。NVM IP核心可以用于产品ID识别、缺陷修补、存储配置数据、程序代码、密钥、校准参数等，而不需要外部组件。

目前，NVM IP大致可分类为OTP（一次编程）、MTP（多次编程）和FTP（几次编程）。其背后的发展缘由大抵如下：

伴随着芯片功能的增加，在网络时代安全性变得越来越重要的情况下，对芯片存储方案的变化和发展。原本靠晶圆厂提供的eFuse存储方案由于成本高、读写速度慢、安全性低、不灵活以及潜在的可靠性问题，逐渐无法满足应用需求的问题，因而OTP IP（One-Time Programmable Intellectual Property，一次性可编程知识产权）首先被发展出来取代eFuse/mask ROM。

与eFuse和mask ROM相比，OTP IP有更佳的功耗、性能和面积（PPA），并且能够实现更高容量，范围从256Kb到1Mb。与eFuse不同的是，OTP IP允许在生产过程中进行编程，这使得它更加灵活，并且能够满足微控制器（MCU）等应用的资料储存需求。同时，OTP IP 也更适合于安全性应用和密钥存储，相比之下比eFuse更为可靠。

随后，MTP（Multiple Times Programmable，多次编程）与eFlash这样能满足多次重复更新的IP也陆续成熟，拓展至各个晶圆工艺节点，让许多多样性功能被实现，也让原本外挂在系统上的ROM/EEPROM能微缩到芯片中，以降低成本，并提高了芯片的集成度和性能。

如今，NVM IP已在许多应用上已经不可或缺，例如像面板驱动IC（DDIC/TDDI），电源管理IC（PMIC），图像显示芯片（CIS）等皆须要使用到OTP/MTP。具体而言，OTP主要用于一次性编程的场景, 适用于一次性校正、ID纪录、安全性密钥；MTP可以用于数据编程需要频繁更新的场景，例如蓝牙芯片、DDR5 SPD等需要10K~100K次资料更新；FTP则能够用于多次校准参数的场景，例如电源管理IC等模拟电路为主的应用。

目前，新思科技是业内少有的已经推出了成熟且全面的NVM IP解决方案。由于NVM是不允许任何数据错误或丢失，在开发过程皆须完成严苛的功能验证，从开发到设计验证得花上一至两年时间，先在晶圆厂工艺完成验证，才能提供给客户使用，除了众多优点外，NVM IP成本也相对较高。新思科技NVM解决方案的优势在于，能够提供不增加光罩、建立于晶圆厂标准工艺的NVM，有效平衡了成本和性能。

在OTP部分，新思科技提供从0.18um到最先进工艺N4P（N3P开发中）的反熔丝（AntiFuse）OTP解决方案，支持大容量同时皆内建Charge Pump，能满足从产测到客户应用端编程需求，也具备最佳的可靠度与安全性。

在MTP方面，新思科技提供从0.18um到40nm解决方案，能满足几次到400K次更新的应用需求，支持最大8Kb容量，可运作于5V，3.3V甚至业界唯一的2.5V MTP解决方案，另外也支持RFID应用，能达到所有操作皆在10uA以下的超低功耗。40nm以下暂无MTP解决方案。

NVM IP的发展为嵌入式存储领域带来了新的机遇，并为开发人员提供了更多选择来满足其应用需求。然而，NVM IP的前路上也有着自己的难题。

新兴市场、先进工艺对NVM IP提出更高要求

随着高性能计算（HPC）、物联网和人工智能芯片对安全存储敏感数据的需求不断增长，嵌入式非易失性存储器（eNVM）在这些新兴市场中的高级节点芯片中得到了越来越广泛的应用。然而，先进工艺也带来了新的挑战，例如掩膜组成本和晶圆平均售价 (WASP) 的攀升，这使得嵌入式 NVM IP 的可靠性和高产率变得更加重要。

飙升的设计成本要求嵌入式IP既可靠又高产

在工艺节点从FinFET开始，OTP的开发也面临着更多挑战，也延长了开发与验证周期。晶圆厂为避免工艺微调造成NVM必须重新设计的情况，要求等工艺稳定后才允许OTP进行开发，这就拉长了OTP推出的时程。

此外，随着工艺制程的不断微缩，OTP的面积也相应大幅缩减。然而，反熔丝的编程过程需要使用电荷泵（Charge Pump）产生高压。在先进工艺中，I/O电压已经降至1.8V或1.2V，甚至随着FinFET技术的发展进一步下降至GAA（环绕栅极晶体管）工艺节点，已经没有可用的I/O元件。因此，必须依靠核心器件（core device）来发展电荷泵及其周边电路，以确保在这些先进工艺上仍然能有可靠的OTP可用。这种依赖核心器件的设计方法使得OTP成为了一种近乎精品的独门工艺。

新思科技的OTP方案, 具备三道保险来保证最佳良率与可靠度：包含采用两倍实体cell让每个比特都有两倍保障；也允许在同一I/O单元内进行1个比特的错误修补；另有预留修补区块可置换超过1个比特的不良。

此外，该方案将ECC（错误校正码）作为标准预设，用户可以根据需要选择开启或关闭。这使得该方案不仅适用于一般消费应用，还能满足高可靠度的工业控制、车用电子和数据中心等领域的需求。

值得一提的是，新思科技的OTP方案不仅能确保在工厂进行编程时的高良率，还能在应用端编程时同样达到最佳良率。这种设计避免了因OTP编程失败而导致芯片报废的风险，大幅提高了芯片的整体可靠性和使用寿命。

新思科技在台积电5nm上的OTP解决方案

新思科技的OTP解决方案已在台积电N5工艺上完成验证，并获得TSMC IP9000认证。该OTP IP通过多层金属工艺、扩展电压支持和多种编程选项，能够在各种应用中提供稳定且高效的存储解决方案。

下图展示了新思科技OTP IP在TSMC N5工艺上的实现（IP9000），并详细描述了其特性和功能。新思科技的OTP解决方案逻辑位数/数据宽度范围从16Kb到128Kb，采用8层金属工艺，内置APB总线接口的RTL控制器，便于客户整合，无需自行开发控制模块。

新思科技OTP IP的特性和功能

此外，OTP具有多项安全功能，包括独立的读取接口、字级和宏级别的编程和读取锁定，确保数据在开机上电时不会发生误操作，并且每个I/O地址均支持读取或写入锁定功能。同时，能够检测不正常电压以防止黑客绕过或窃取OTP数据或安全密钥。

在台积电的特性测试过程中，新思科技的OTP IP展示了卓越的良率和可靠性，并能在工艺、电压、温度（PVT）条件下稳定运行。

在TT、FF、SS、FS和SF工艺分支下的硅片特性测试结果显示，OTP IP几乎可以达到100%输入和编程良率，在测试的约1200Mb中，仅有1个位失败，但已成功修复。相比于之前的OTP技术，新的OTP技术在单次脉冲编程中显著提升了效率（在360Mb中仅17个位失败）。无需读取调节器（Read Regulator）即可从核心电压（VDD）读取。在广泛的VDDIO电压范围内进行了特性表征，保证了电压适应性。

新思科技 OTP在TSMC N5上实现跨PVT的卓越读取利润率

此外，该OTP解决方案从三个不连续批次中进行了硅片资格认证，结果显示：在高温储存寿命（HTSL）和高温操作寿命（HTOL）条件下OTP IP的表现均相当出色，HTSL测试温度为150°C（图a），HTOL测试温度为125°C（图b）；所有读取点均未显示出位单元退化（图c），确保了数据的长期可靠性；完成了资格认证，无需使用ECC（错误校正码），进一步简化了设计和使用。